Undersøgelsen afslører en spontan toroidal polær topologi i den helielektriske nematiske tilstand

"I vores nylige undersøgelse sigtede vi oprindeligt på at forstå, hvordan chiralitet ville blive koblet med flexoelektricitet og depolariseringsfelteffekten," sagde Aya. "Derfor dopede vi chirale dopingmidler ind i det ferroelektriske nematiske molekyle, der blev brugt i en af ​​vores tidligere artikler udgivet i Nature Communications . I begyndelsen forventede vi selvfølgelig ikke, at en så dejlig, hidtil uset tekstur ville dukke op."

I deres nylige undersøgelse brugte Aya og hans kolleger to primære eksperimentelle teknikker. For det første brugte de en anden-harmonisk generation af interferometrisk mikroskopi, der udnyttede en ikke-lineær optisk respons, der opstår i systemer, hvor inversionssymmetrien er brudt.

Denne første metode tillod dem at visualisere det polære orienteringsfelt i deres prøve. Efterfølgende brugte forskerne en teknik kaldet polariseret fluorescerende mikroskopi til at dobbelttjekke orienteringsfeltet opnået ved anden-harmonisk generation af interferometrisk mikroskopi.

"Interferometrisk mikroskopi og polariseret fluorescerende mikroskopi er komplementære metoder," forklarede Aya. "Mens førstnævnte sonderer det hoved-til-hale-uækvivalente (polære) orienteringsfelt, fanger sidstnævnte det hoved-til-hale-ækvivalente (ikke-polære) orienteringsfelt."

Alt i alt indsamlede Aya og hans samarbejdspartnere meget interessante observationer. For det første viste de, at i modsætning til krystalbaserede ferroelektriske materialer, hvor kun en eller to stærke polære interaktioner dominerer og konkurrerer med gitterbelastningen, balancerer ferroelektriske væsker interaktioner med meget større frihed.

"Denne delikate balance kan føre til, at flere influencers bestemmer de topologiske detaljer," sagde Aya. "For eksempel, med enkle ord, der opsummerer den aktuelle sag, bedømmer konkurrencen mellem chiralitet og indespærring, om et i-plan og ikke-snoet felt foretrækkes; flexoelektricitet bestemmer, hvor domænevægge skal genereres; og endelig dikterer depolariseringsfelt, hvilken type polær orienteringsfelt felt skal genereres omkring domænevæggene."

Den fysiske proces, som Aya og hans kolleger observerer, har flere stadier, hvor forskellige interaktioner bidrager til detaljer i materialernes endelige topologi. Deres resultater tyder på, at kombinationer af polære og flydende krystal-interaktioner med forskellige størrelser kan føre til en bred vifte af ukendte polære topologier. Med udgangspunkt i denne indsigt kunne forskerne snart gå i gang med at observere nye polære topologier ved at designe molekyler med forskellige former og polære egenskaber.

"Den anden nøgleimplikation af vores resultater er, at depolariseringsfeltet er en vital faktor, der påvirker den elektriske feltdrevne dynamik i indelukkede ferroelektriske væsker," sagde Aya. "Denne besked er meget vigtig. Forestil dig, at du nu har en ensartet justering af det polære orienteringsfelt til en bestemt retning i det frie rum. Hvis man anvender et DC elektrisk felt antiparallelt med polarisationen, er det let at forvente, at polarisationsfeltet vil reorientere til feltretningen, som bekræftet af UC Boulder-gruppen om ferroelektrisk nematik i 2020.

"Vi fandt ud af, at dette scenarie ikke holder for de indesluttede nematika. Et lignende værk, men med en lidt anderledes proces, blev også offentliggjort et år før vores udgivelse."

Aya og hans samarbejdspartnere fandt ud af, at den topologiske struktur observeret af gruppen ved UC Boulder ikke gælder for indesluttede nematik, hvor ikke-trivielle depolariseringsfelter kan udvikle sig via komplekse rumlige polære orienteringsfelter. I den fase, de observerede, fungerer både rumladningen på grund af spredningsdeformationen af ​​orienteringsfeltet og den interracial ladning skabt på grænseflader eller nærorienterede singulariteter som kilden til depolariseringsfelterne.

"På den ene side er man nødt til at indse denne sag, når de laver eksperimenter med ferroelektriske væsker, især når de vil bedømme, i hvilken retning polarisationen orienterer sig ved at bruge elektrisk felt (som Boulder-gruppen gjorde)," sagde Aya. "På den anden side, som et naivt perspektiv, gætter jeg på, at det ikke-trivielle depolariseringsfelt også kan betragtes som et værktøj til at generere komplekse polarisationsmønstre (altså topologisk konstruktion eller topologisk omskiftning), som ville være umuligt ved at bruge komplekse elektroder."

Dette nylige arbejde af Aya og hans samarbejdspartnere kan snart bane vejen for yderligere undersøgelser, der undersøger den polar-interaktionsdrevne toroidale polære topologi, de afslørede. Derudover kunne det åbne nye muligheder for udvikling af omskiftelige ferroelektriske-flydende optoelektroniske enheder.

"Selvfølgelig er det ikke let at kaste lys over mekanismen, der arbejder bag at danne unikke topologier kun fra den eksperimentelle side," sagde Aya. "I dette perspektiv, sammen med udvikling af nye molekyler med forskellige balancer af interaktioner nævnt ovenfor, vil og har vi arbejdet på at udvikle en teoretisk baggrund for polære nematiske væsker og udforske nye polære topologier ved at justere balancen mellem polære og flydende krystal-interaktioner. Desuden , at designe polære topologiske netværk mod topologisk ferroelektrik er også meget udfordrende."

I nogle af deres tidligere undersøgelser viste forskerne, at et komplekst polært orienteringsfelt er en fordelagtig funktion til realiseringen af ​​systemer, der udviser en ikke-lineær optisk forstærkning kendt som fasetilpasning. Som en del af deres fremtidige forskning vil de gerne bygge videre på deres resultater for at lette den potentielle udvikling af disse systemer.

"Polarisationsteknik i krystalbaseret ferroelektrik er kendt for at være meget vanskeligt," tilføjede Aya. "Sådan vil udvikling af tidligere umulig polarisationsteknik i polære væsker og derfor muliggøre fremstilling af højeffektive ikke-lineære optiske enheder være et af vores opfølgningsmål."

Flere oplysninger: Jidan Yang et al., Flexoelectricity-driven toroidal polar topology in flyd-stof helielectrics, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02439-7

Journaloplysninger: Nature Communications , Naturfysik

© 2024 Science X Network